低压开关电器及其工作原理

低压开关电器主要用于低压配电系统及控制系统中，对电路和电器设备进行不频繁的通断、转换电源或负载控制，有的还可用作小容量鼠笼形异步电动机的直接起动控制。低压开关电器应用十分广泛，品种很多，主要有刀开关、组合开关、低压断路器。

3.3.1.1　刀开关

刀开关是具有“刀形触片”的各类开关电器的总称。它们属于结构比较简单、操作比较方便的手动控制电器。根据不同的工作原理、使用条件和结构形式，刀开关及其与熔断器组成的产品可以分为板用刀开关、开启式负荷开关、熔断器组合式刀开关等。

板用刀开关是手动电器中结构最简单的一种。板用刀开关由手柄、触刀、静插座、铰链支座和绝缘支座等组成，如图3.1所示。合上手柄时，触刀绕铰链支座转动，将触刀插入静插座内，电路接通；拉下手柄时，触刀脱离静插座，将电路断开。

板用刀开关按极数分为单极、双极、三极，其中三极刀开关用量最大；按切换功能（位置数）可分为单投和双投。按操作方式又可以分为中央手柄式、带杠杆机构式、旋转操作式等。刀开关的图形符号，如图3.2所示，文字符号为QS。

图3.1　板用刀开关结构图

1—下胶盖；2—瓷质手柄；3—出线座；4—瓷底座；5—静夹座；6—进线座；7—胶盖固定螺母；8—上胶盖

图3.2　刀开关图形符号

目前，国内大批量选用的板用刀开关有HD11、HD12、HD13、HD14等系列的刀开关，以及HS11、HS12、HS13、HS14等系列的刀开关。HS12、HS13系列刀形转换开关，能切断额定电流值以下的负载电流，用于接通或分断电路。而HD11系列刀开关和HS11系列刀形转换开关不能分断电流，只能作隔离电流用的隔离开关。HD11～HD14系列刀开关和HS11～HS14系列刀形转换开关的技术数据可查阅相关电气工程手册。

刀开关的型号含义，如图3.3所示。图中刀开关的组类代号，可以填入“HD”，表示“单投刀开关”；或“HS”表示“双投刀开关”。操作方式代号，可以填入“11”，表示“中央手柄式”；或“12”，表示“侧方正面杠杆操作机构式”；或“13”，表示“中央正面杠杆操作机构式”；或“14”，表示“侧面操作手柄式”。级数代码，可以填入“1”，表示“单极”；或“2”，表示“双极”；或“3”，表示“三极”。辅助功能代号，可以填入“0”，表示“不带灭弧罩”；或“1”，表示“带灭弧罩”；或“8”，表示“板前接线（仅限中央手柄式）”；或“9”，表示“板后接线（仅限中央手柄式）”。

图3.3　刀开关的型号含义

刀开关的主要技术参数有：

1.额定电压：它是指在规定条件下，刀开关长期工作中能承受的最大电压。

2.额定电流：它是指在规定条件下，刀开关在合闸位置允许长期通过的最大工作电流。

3.通断能力：它是指在规定条件下，刀开关在额定电压时，能接通和分断的最大电流值。

4.电寿命：它是指在规定条件下，刀开关不经维修或更换零件的额定负载操作循环次数。

在选用刀开关时，刀开关的额定电压应大于或等于电路的额定电压值，额定电流应稍大于或等于电路中的工作电流值，刀开关的极数、位置数和操作方式可根据实际需要选定。当用刀开关直接通断小型负载时，应注意选择相应的通断能力。

3.3.1.2　开启式负荷开关

开启式负荷开关（俗称胶盖瓷底刀开关）由刀开关和熔断器串联组合而成。常用来分断工作负荷电流，用作电气照明电路的控制开关及分支电路的配电开关，三级开启式负荷开关有时也可用于5.5 k W 以下的三相鼠笼形异步交流电动机不频繁地直接起动和停止的控制。开启式负荷开关的外观，如图3.4所示。

图3.4　刀开关（开启式负荷开关）的外观

目前，国内常用的开启式负荷开关有HK2、HK4系列等。开启式负荷开关具有使用方便、价格低廉等优点。但其在控制电动机时易出现某一相熔丝提前熔断，导致电动机缺相运行而被烧毁的现象，且该开关无灭弧装置，分断大电流时，所产生的电弧很大，容易出现人身安全事故，现已逐渐被塑料外壳低压断路器取代。

3.3.1.3　熔断器组合式电器

熔断器组合式电器是由刀开关、隔离器与熔断器组合而成的各类电器的总称。该电器一般都能进行带负载通断，并有一定的短路保护功能。熔断器组合式电器结构紧凑、操作方便、安全可靠，因而被广泛采用并逐渐替代某些老式产品。

熔断器组合式电器有刀开关熔断器组、熔断式刀开关、隔离器熔断器组、熔断式隔离器等四种。下面着重介绍刀开关熔断器组和熔断式刀开关。

1.刀开关熔断器组：刀开关熔断器组是由刀开关和熔断器串联组合。将一个三极刀开关与三个熔断器串联组装在一个铁壳内就构成封闭式负荷开关，又称为铁壳开关。它的结构特点是，内部装有一个速断弹簧，拉闸时动片能很快与刀座分离，电弧因被迅速拉长而熄灭；另外，为保证安全，其操作机构有机械联锁装置，当铁壳打开时，刀开关被卡住，是不能进行合闸操作的；刀开关合闸时，铁壳也不能打开。封闭式负荷开关的结构及其图形符号，如图3.5所示，文字符号为QF。

图3.5　封闭式负荷开关结构及其图形符号

1—速断弹簧；2—转轴；3—手柄；4—闸刀；5—夹座；6—熔断器

目前，国内常用的封闭式负荷开关有HH3、HH4、HH10D、HH11等系列，可用于配电电路中作为电源开关，主要用于手控不频繁地接通或断开带负荷的电路。三极封闭式负荷开关还可作为小型异步电动机的不频繁全压起动的控制开关。封闭式负荷开关（铁壳开关）的外观，如图3.6所示。

图3.6　铁壳开关的外观

2.熔断式刀开关：刀开关的动触点由熔断器组成时即为熔断式刀开关，也称刀熔开关。它兼有熔断器和刀开关的功能，在正常情况下，熔断式刀开关可以接通和分断额定及额定电流以下的电流，如果电路中出现严重过载及短路故障，熔断器中的熔体就被熔断，可以及时地切断故障电路。因此，熔断式刀开关一般由刀开关和RT0型熔断器组合而成。HR5系列熔断式刀开关为国内更新设计的产品，配用NT 型熔断器或类似质量水平的产品。HR11系列熔断式刀开关为国内20世纪80年代进行技术攻关所获得的达标产品，配用RT15型熔断器。(www.xing528.com)

3.3.1.4　组合开关

组合开关因其可实现多组触点组合连动，所以被称为组合开关，实际也是一种转换开关。组合开关有多对静触片和动触片，分别装在由绝缘材料隔开的胶木盒内，组合开关结构如图3.7左图所示。静触片固定在绝缘垫板上，动触片套装在有手柄的绝缘转动轴上，转动手柄就可以改变触片的通断位置，以达到接通或断开电路的目的。

由于该组合开关转轴上安装有扭簧储能机构，使得开关能快速闭合或分断，以利于灭弧，且其分合速度与旋转速度无关。组合开关的图形符号，如图3.7右图所示，文字符号为SCB。

图3.7　组合开关结构与图形符号

组合开关具有结构紧凑、体积小、操作方便等优点，在机床电气控制中主要用作电源开关，可以不带负载接通或断开电源；也可以按电动机控制要求进行组合，直接控制电动机的起动、停止、星三角电路连接变换等动作，组合开关不适于频繁操作的场所来使用。

目前，国内常用的组合开关有HZ10、HZ15等系列，国外引进产品有德国西门子3LB和3ST 系列等。组合开关外观，如图3.8所示。

图3.8　组合开关外观

3.3.1.5　低压断路器

低压断路器，一般也常称为自动开关或空气开关等，为了符合IEC 国际标准，一般应使用低压断路器这个名称，也可简称为断路器。

当电路正常工作时，断路器可以接通或分断正常负载电流；当电路发生严重的过载、短路或失压故障时，断路器能够自动地分断故障电路，有效地保护串接在其后面的电气设备。因而，低压断路器是一种具有保护功能的开关电器，广泛应用在低压配电线路、电气控制线路中。

断路器按结构型式分为万能式和塑料外壳式两种。万能式（曾称为框架式）断路器一般有一个钢制框架，所有部件均安装在这个框架内（导电部分加绝缘）。万能式断路器容量较大，用作配电线路的保护开关。塑料外壳式断路器的主要特征是有一个塑料外壳，所有部件均安装在这个外壳中。塑料外壳式断路器容量较小，除可用作配电支路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电加热电路的控制开关。塑料外壳式断路器的操作方式多为手动，主要有板式和按钮式两种。

低压断路器的工作原理和图形符号，如图3.9所示。图中选用了过电流和欠电压两种脱扣器。当电路正常工作时，断路器的主触点靠操作机构手动（或电动）合闸或断闸，即可接通或分断正常工作电流。当断路器合闸后，主触点合上，此时过电流脱扣器的衔铁是处于释放状态的，欠电压脱扣器的衔铁是处于吸合状态的，它们都使自由脱扣机构的主触点锁在闭合位置上。若电路中发生短路或过电流故障时，过电流脱扣器的衔铁被吸合，使自由脱扣机构自动脱扣，断路器自动跳闸，主触点分离，能及时有效地切断高过额定电流数十倍的故障电流；若电网中出现电压过低或电压为零时，欠电压脱扣器的衔铁被迫释放，同样使自由脱扣机构动作，断路器分断该电路。这样，当电路过电流或欠电压时，断路器都能自动切断电源，保证电路及电路中设备的安全。

图3.9　低压断路器工作原理及其图形符号

1—释放弹簧；2—主触点；3—钩子；4—过流脱扣器；5—欠压脱扣器

下面着重介绍塑料外壳式断路器，该断路器主要由三个部分组成：

1.触点和灭弧系统；

2.各种可供选择的脱扣器，包括过电流脱扣器、欠压（失电压）脱扣器、热脱扣器和分励脱扣器；

3.操作机构和自由脱扣机构（自由脱扣是指当电路出现故障时，不论操作手柄在何位置，触点均能迅速自动分断）。

目前，国内常用的塑料外壳式断路器有DZ5、DZ10、DZ15、DZ20、DZ10X等系列，其中DZ20系列断路器是20世纪80年代开发的换代产品。引进生产的塑料外壳式断路器有：日本寺崎公司的T0、TG和TH-5系列、美国西屋公司的H 系列、德国西门子公司的3VE系列、瑞士ABB公司的S260系列；法国施耐德公司的ACTI9系列小型断路器、EASY9系列漏电保护断路器、EZD系列漏电保护断路器等。塑料外壳式断路器的外观，如图3.10所示。

图3.10　塑料外壳式断路器外观

DZ20系列断路器的型号含义，如图3.11所示。图中，操作方式代码，可以填入“P”，表示“电动机操作”；或不作标注，表示“手柄操作”；用途代码，可以填入“2”，表示“保护电动机用”；或不作标注，表示“配电用”。

图3.11　断路器的型号含义

塑料外壳式断路器的技术数据、脱扣方式及附件代号，可查阅相关电气工程手册。塑料外壳式断路器的主要技术参数除了额定电压、额定电流（这里指脱扣器的额定电流）之外，还有如下三项：

1.壳架等级额定电流（IN）：它是同一规格的断路器中通过的最大脱扣器额定电流。

2.额定极限短路分断能力（ICN）：它是断路器在规定实验电压及其他规定条件下的极限短路分断电流值，可用预期短路电流值表示。交流工况下，为周期分量的有效值。

3.额定运行短路分断能力（ICS）：它是断路器在规定实验电压及其他规定条件下的一种比ICN 小的分断电流值。

不同使用条件下的ICS 和ICN 标准比例关系的数据系列，可查阅相关电气工程手册。

选用低压断路器时，应满足如下三项要求：

1.断路器的额定工作电压和额定工作电流应分别不低于线路上的额定电压和计算电流。

2.热脱扣器的整定电流应与所控制电动机的额定电流或负载额定电流一致。

3.断路器的瞬时或短延时脱扣器的整定电流应大于负载电路的尖峰电流值，对于电动机保护电路，当动作时间大于0.02 s时，可按不低于1.35倍电动机的起动电流的原则确定；当动作时间小于0.02 s时，则应增加为不低于1.7～2倍电动机的起动电流。